基于综合地质勘探方法的海域活动断裂探测——以桑浦山断裂带为例.pdf

收稿日期:20221109基金项目:中国铁路设计集团有限公司科技开发计划重点课题(2022B0203264008;2022B0203264007)。作者简介:田 明(1987),男,2015 年毕业于中国地质大学(武汉)地质工程专业,工学硕士,工程师,E-mail:27844837 。文章编号:16727479(2023)04010806基于综合地质勘探方法的海域活动断裂探测 以桑浦山断裂带为例田 明(中国铁路设计集团有限公司,天津 300251)摘 要:汕头湾主航道窄、流速急、水深大、通航密度高,造成探测海域活动断裂难度较大。某铁路隧道穿越桑浦山断裂带,突水涌泥风险大,需探明桑浦山断裂带在鹿屿水道中的准确位置和活动特征,在海上采用浅层地震反射波法、瞬变电磁法等地球物理方法以及钻孔联合地质剖面,通过对地震法反射波组连续性和振幅强弱、瞬变电磁法电阻率等值线、钻孔联合地质剖面地层厚度和连续性进行分析,得出桑浦山断裂在鹿屿水道部分为 NE 向倾斜的正断层,倾角 70,晚更新世以来垂向断距约为 12 m。研究表明,在环境条件复杂的海域地区,传统地质勘察手段难以对水下地层、断裂构造等进行有效勘察,而利用多种地球物理勘探方法与钻探方法相结合的综合地质勘察方法,能准确对地质体进行解译,有效规避多解性对探测结果的影响,对探测海域复杂环境下的断裂,具有较好的效果。关键词:铁路隧道;海域活动断裂;综合地质勘察方法;桑浦山断裂;活动性中图分类号:U212.2;P642;P736 文献标识码:ADOI:10.19630/ki.tdkc.202211090003开放科学(资源服务)标识码(OSID):Based on Comprehensive Geological Prospecting Method for Active Fault DetectionTake the Sangpushan Fault as an ExampleTIAN Ming(China Railway Design Corporation,Tianjin 300251,China)Abstract:The channel of the Shantou Bay has characteristics including narrow fairway,rapid current speed,large depth,high navigation density,which leads to the difficulty of fault detection in sea activities.A railway tunnel passes through the Sangpushan Fault Zone,and there is a high risk of water inrush and mud gush.It is necessary to explore the accurate position and activity characteristics of the Sangpushan fault zone in the Luyu waterway.Geophysical methods such as shallow seismic reflection wave method,transient electromagnetic method and drilling combined with geological section were used.Based on the analysis of the continuity and amplitude of the reflected wave group by seismic method,the resistivity isolines by transient electromagnetic method,and the thickness and continuity of the borehole combined geological profile,it was concluded that the Sangpushan Fault is a NE inclined normal fault in Luyu channel,with a dip Angle of 70 and a vertical fault distance of about 12 m since the late Pleistocene.The results show that,in the gulf and other sea areas with complex environmental conditions,traditional geological exploration methods are difficult to effectively investigate underwater strata and fault structures,and the comprehensive geological 801铁 道 勘 察2023 年第 4 期exploration method combining multiple geophysical exploration methods and drilling methods can accurately interpret geological bodies and effectively avoid the influence of multiple solutions on the detection results.It has a good effect on detecting faults in complex environment of sea area.Key words:railway tunnel;marine active fault;comprehensive geological survey method;Sangpushan Fault Zone;activity引言我国海域活动断裂分布广泛,沿海及近海地区曾发生过多次 6 级以上强震,地震频次较高,给沿海地区建筑物造成了严重的损害。由于海域活动断裂被海水覆盖,受场地条件限制,一般难以被人们所了解。为准确探测海域活动断裂的位置和特征,国内外学者对海域活动断裂的探测方法进行研究。刘忠亚等编制了渤海海峡跨海通道工程区主要活动断裂分布图,并发现地震分布具有不均匀性,地震活动性随着与断裂之间距离的增加而减弱,且在断裂交点和端点处活动性较强1;吴德城等总结了利用地震勘探技术方法在中国近海新构造活动断裂调查研究中取得的主要成果,提出在未来的海域新构造运动地震调查研究中,应采用多技术方法组合系统调查与研究的思路,探索应用横波地震勘探和海底可控震源等新技术2;王舒畋认为采用以高分辨率地震为主的综合浅层物探技术,配合浅地层剖面、旁侧声纳测深及磁力测量等综合浅层物探技术,能够经济快捷地了解海洋地质灾害因素、灾害的类型以及海洋工程地质有关问题3;赵铁虎通过将渤海海峡跨海通道区浅层地震剖面和钻孔岩层划分对比,标定了标准反射界面,划分出 5 个主要反射界面和4 个声学地层单元,揭示了各地层单元的分布特征4。探明海域活动断裂的展布位置、发育特征和岩土体破碎程度,对于工程安全顺利地穿越海域活动断裂以及抗震防灾减灾设计具有十分重要的意义。以桑浦山断裂海域部分为例,应用浅层地震勘探、瞬变电磁法勘探以及地质钻探的综合地质勘察方法,以期查明该断裂海域段的准确位置、变形特征及活动性,为工程设计提供技术依据。1 勘探场区概况桑浦山断裂带是广东省潮汕地区一条重要的断裂带,总体呈 NW 走向,主要出露于桑浦山地区,断裂造成燕山期花岗岩岩体破碎,沿线岩石呈现绿泥石化、硅化、片理化等现象,并形成了狭长的沟谷5。汪一鹏等认为桑浦山断裂带晚更新世以来具有左旋运动特征6。桑浦山断裂带主要由地都莲塘断裂、塔下庄陇断裂、南陇水库鮀东断裂等 6 条分支断裂构成(见图 1),其中主干断裂南陇水库鮀东断裂向 SE 在汕头市穿过第四系地层至达濠半岛,在达濠半岛与德州岛、妈屿岛之间的水道之中穿过(见图 2)。图 1 桑浦山断裂带展布图 2 桑浦山断裂带海域部分水上测线与勘探孔平面研究区位于潮汕盆地东侧海陆交界处,地貌上属低山丘陵区,地形起伏较大。区域地质资料显示,研究区出露的地层主要为燕山期花岗岩,花岗岩体主要发育北东和北西 2 组节理,后期喜山期的辉绿岩脉沿2 组节理侵入,第四系沉积物不整合覆盖于基岩之上。潮汕盆地的发展受断裂活动控制,第四系沉积厚度一般为 1080 m,主要为河流相或三角洲相的黏土、粉质黏土及砂层7,目前已知第四系地层最老的14C901基于综合地质勘探方法的海域活动断裂探测:田 明年龄为 3.8 万年,说明盆地形成于晚更新世7-8。桑浦山断裂带海域部分穿过汕头市濠江区达濠半岛与妈屿岛、德州岛之间的鹿屿水道内。航道水深一般为1418 m,海底地形整体比较平缓,局部起伏较大。工作区位于鹿屿主航道上(见图 3),航道内来往船只较多,对勘察工作的开展造成了一定的影响。图 3 研究区地理位置示意2 浅层地震勘探浅层地震勘探法是探测第四系松散沉积物覆盖下活动断层的有效方法之一8-9。该方法在陆上城市活动断裂探测得到广泛的应用,浅层地震勘探法具有探测精度、分辨率高,能够快速准确判断目标断裂的位置、产状等优势10-13。近年来,浅层地震勘探方法在水下活动断层探测中也取得了进展14。鹿屿水道下主要地层为第四系冲洪积层,下伏早新生代花岗岩,第四系土层与基岩之间存在明显的波阻抗,第四系地层中各岩层间也存在一定的波阻抗,为开展地震反射勘探提供了较好的地球物理条件。本次工作采用多道地震反射波方法,沿新建铁路线位布置了 1 条物探测线,测线位置见图 2。采取船尾拖拉式连续匀速航行和定时激发方式施工,船速控制在 12 m/s(见图 4)。现场试验采集参数见表 1。表 1 浅层地震反射法数据采集工作参数项目偏移距/m道间距/m炮间距/m覆盖次数震源采样间隔/ms记录长度/ms数值922/36电火花震源0.125246利用资料处理时,对获得的速度以及不同界面反射波的双回程反射时间进行时深转换,可以计算出对应地层的埋藏深度15-16。由图 5 可以看出,地震反射剖面信噪比比较高,地震层位反射较明显,结合钻孔资料,可在剖面上识别出 3 个地震反射波组:T0 面呈现图 4 海上物探现场实施情况图 5 多道地震反射波法剖面出以水平层状连续的反射波组为主,推测 T0 面以上为海水;T1 呈现出的反射波组主要为连续的水平层,推测 T0T1 时间界面之间以砂层为主局部夹粉质黏土层,T2 反射波组反射能量较强,不连续出现,推测 T1T2 时间界面之间为基岩强风化层;T2 波组之下推断为弱-微风化基岩层。在测线 DKx+021DKx+290 之间存在多组振幅强弱不一的反射波组,推断该段存在断层 F1、F2,形成地堑结构。其中 F1 断裂错断了第四系冲积层,在断层上盘明显增厚,说明 F1 断层控制了此处物质的沉积。F2 断裂造成基岩弱风化面埋深,在上下盘位于不同高程。根据以上特征,判断断裂 F1 向 E 倾,断裂倾角为70,总体表现为正断层性质,垂向断距约 10 m,F2 倾向 NW,倾角约 68。011铁 道 勘 察2023 年第 4 期3 瞬变电磁法瞬变电磁法是通过在不接地发射回线中通以阶跃电流,在一次场断电后,观测地下半空间内良导体由感应电流产生的二次磁场的时间域电磁勘探方法17-19。利用该方法进行水上探测,能够充分发挥其装置灵活、无须接地、勘探深度大、抗干扰能力强、对低阻介质反应灵敏等优势。目前水域瞬变电磁法(见图 6)已成为水下结构探测、隐伏活动断裂勘察的重要手段之一20-22。图 6 浅水域电磁探测系统在考虑本次探测地层的地球物理性质及地层埋深等情况下,沿浅层地震勘探线布置瞬变电磁法测线,数据采集方式与地震勘探方法一致。根据电阻率剖面(见图 7),从上到下可以划分出 3 个电阻率结构层,浅部 值整体较低,普遍小于 16 m,推测为第四系松散地层;电阻率等值线大于 16 m 且分布较均匀的中高阻区域,对应为花岗岩弱风化区;强风化层顶界面高程在-12 -35 m 之间,弱风化层顶界面高程在-24-50 m 之间,电阻率结构分层与浅层地震反射法解译的弱风化顶界面高程(-25-45 m)基本一致。图 7 瞬变电磁法剖面结合浅层地震反射探测结果,认为在里程 DKx+30 之间在剖面上存在向下延伸的低阻带,判断该低阻带可能为断裂破碎带的响应。由于瞬变电磁法测量的是微弱的二次涡流产生的信号,对电磁干扰及环境噪声比较敏感。勘探区有高压线经过,周边行船较多,电磁法结果受到较大的干扰,故不能有效判断出断裂具体特征信息。4 钻孔联合地质剖面与综合解译为进一步研究桑浦山主断裂(F1)海域段的准确位置、破碎程度、渗透性等工程特性,同时检验浅层地震勘探与水域瞬变电磁法探测结果是否可靠,在物探测线的东侧设计了 1 条平行线路的钻孔联合地质剖面,以达到对断裂精确定位的目的。布设的钻孔联合地质剖面长度约为 126 m,由 6 个孔深 77.484.3 m的钻孔组成,每个钻孔均穿透第四系地层并进入基岩中,相邻钻孔间距为 1045 m,图 8 为现场实施海上钻探船(平台),图 9 为钻孔联合地质剖面。图 8 现场勘探船作业图 9 桑浦山断裂联合地质剖面钻孔揭露的地层显示,第四系沉积层厚 1040 m,剖面长度内厚度差异大,自上而下为淤泥、淤泥质土、中粗砂组成,根据区域地层对比情况及区域内第四系沉积物鉴定结果,判断第四系地层沉积时代为晚更新世晚期。钻孔揭露的基岩主要为花岗岩,局部充填辉绿岩脉,花岗岩节理裂隙发育,岩体较破碎,基岩顶部已完全风化为土状。由钻孔揭露的地层与地球物理方法反映的地层情况大体相同。由图 9 可知,钻孔ZK01 与 ZK03 的基岩顶面大体一致,ZK02、ZK04、ZK06、ZK05 的 基 岩 顶 面 埋 深 接 近 水 平,ZK03 与ZK05 之间的基岩顶面埋深相差近 20 m,并且 ZK03 与111基于综合地质勘探方法的海域活动断裂探测:田 明ZK05 黏土层底面埋深相差约 12 m。ZK01 与 ZK03 淤泥质黏土厚约 5 m,而 ZK05 的淤泥质黏土明显增厚,厚度达到近 20 m,钻孔 ZK01 与 ZK03 还缺失中砂层。ZK05 在 56 m 深度左右岩芯破碎,局部表现挤压破碎特征,推测其为断层破碎带。综上分析,判断断裂穿过ZK05 孔,上断点位于 ZK03 与 ZK05 之间,断裂倾向NE,表现为正断性质,NE 盘下降。断裂控制着第四系地层的沉积,造成上盘淤泥质黏土层显著增厚。根据区域地层年代资料与岩性特征,认为淤泥质黏土层属晚更新统,断裂造成淤泥质地层明显错动变形,据此判断桑浦山断裂为晚更新世活动断裂。5 结论采用浅层地震勘探、水域瞬变电磁法,并结合钻孔联合地质剖面,对桑浦山断裂带海域隐伏段的空间位置、几何结构和活动性进行详细研究,结论如下。(1)桑浦山断裂带海域隐伏段为 NE 向倾斜的正断裂,倾角为 70,黏土层底面埋深相差约 12 m。该断裂为晚更新世活动断裂,运动性质以左旋走滑为主,兼正断分量。(2)研究成果可为海底隧道工程的加固处理提供准确的断裂特征资料,为隧道的抗震、防灾减灾和防排水设计提供地质参数,从而保证铁路隧道工程安全顺利地通过海域活动断裂,降低因突水涌泥造成的人员和设备重大损失风险。(3)实践表明,在海湾等环境条件复杂的海域地区,利用多种地球物理勘探方法与钻探相结合的综合地质勘察方法,能准确地对地质体进行解译,有效规避多解性对探测结果的影响,对探测海域复杂环境下的隐伏断裂具有较好的效果及实用性。参考文献1 刘忠亚,彭轩明,赵铁虎,等.渤海海峡跨海通道工程区断裂活动性及地震分布特征J.现代地质,2017,31(4):860-868.LIU Zhongjie,PENG Xuanming,ZHAO Tiehu,et al.Fault Activity and Characteristics of Earthquake Distribution in the Engineering Area of Bohai Strait Cross-sea ChannelJ.Geoscience,2017,31(4):860-868.2 吴德城,侯方辉,祁江豪,等.中国近海新构造活动断裂调查与地震勘探方法J.海洋地质与第四纪地质,2020,40(6):121-132.WU Decheng,HOU Fanghui,QI Jianghao,et al.Seismic Survey and Exploration Methods for Neotectonic Active Faults in the Area off China ContinentJ.Marine Geology&Quaternary Geology,2020,40(6):121-132.3 王舒畋.浅层物探技术在近海灾害地质与工程地质调查中的应用J.海洋石油,2008,28(1):6-12.WANG Shutian.Application of Shallow Bed Geophysical Exploration Technique to Offshore Hazard Geology and Engineering GeologyJ.Offshore Oil,2008,28(1):6-12.4 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